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电子式互感器在线校验技术研究
2017-10-11 10:31:17  作者:王佳颖 王鼎等  来源:中国设计师网  
  •   本文从新型电子式互感器的技术特点出发,论证电子式互感器在带电运行条件下在线校验、维修的意义和技术上的可行性。依托于“电子式互感器在线校验技术”科研项目的展开,具体介绍在金属封装电器设备上实现电子式电流互感器在线校验、在线检修的方法;介绍钳形标准电流互感器、操作机械手和遥控功能的技术方案。讨论了在线校验与实验室校验的在技术条件上的区别;在线校验引发的新问题的解答。展示了在线校验、维修的技术优势和未来的发展前景。

  国网吉林省电力科学研究院 王佳颖 王鼎

  西安华伟光电技术有限公司 刘忠战

  国网吉林省电力有限公司 冯利民

  1 引言

  互感器是跨接于高、低压设备之间的电量传感-测量设备,在电网投运后,必须确保在数月乃至数年时段内不间断地传送测量及保护信号。为了确保运行安全,电站操作规程规定:禁止运行状态下进行任何维护、检修操作,这一规定已成难以撼动的百年依据。

  由于与互感器相关的任何故障必须在停电条件下诊断和维修,所以电站每年都会因偶发性故障被迫停电,由此将造成额外的经济损失,特别是处于关键位置的高压枢纽站,损失更加显著。例如装机容量为500MVA的中小型电站,每停电2h,直接电能收益损失约为40万元,覆盖区域的工业产值将减少约1666万元(按产值能耗比:万元/600kWh计算)。为了减少停电时间,电力行业一直在探索能否将更多的维检项目转化为在不停电条件下实施,特别是在新型电子式互感器进入应用以后,人们在思考,能否利用其分体装配的特点,首先开展此类互感器的在线校验尝试。近年来,这一技术动向备受关注。本文将依托国网吉林省电力科学研究院“电子式互感器在线校验技术”科研项目,讨论电子式电流互感器的在线校验、在线检修技术的可行性、配套设备研制和试验方法。

  2 在线校验的可行性

  电子式互感器改变了传统互感器的传感原理、体系结构和输出方式,与互感器相关的故障诊断和检修技术必然会有相应的变革,互感器维护检修技术的变革,基于以下三个方面的变化。

  2.1 电子式互感器技术

  传统电磁式互感器基于电磁感应原理,信号的传感和变送是由一体化的变压/变流器完成的,测量精度在制造时由内部结构一次性固定,即使应用中出现偏差,也无法校正。老标准[1]规定:二次输出必须带有一定的功率容量,这一规定直接导致PT开路和CT短路都会有破坏性事故发生,所以规定严禁运行时PT二次短路和CT二次开路,所以,传统互感器从原理和结构上限制了在线校验和检修的可行性。

  相对于传统互感器,电子互感器有以下两点改变:一是,采用小信号传感,转换功率由50VA锐减到0.5VA左右,模拟输出信号限制在0.2V~4V范围[2],经数字采集以后,用光纤传输,不再有二次开、短路危险。二是,采用了分体式结构,互感器的测量精度取决于传感和采集两个环节,最终由采集部件校准,而采集器与传感器分离,可以装在低压侧,属于维护人员可以触及的安全区,具备了在现场进行校准和检修操作的可能性。

  2.2 钳形标准互感器

  试验室条件下进行的互感器校验,需要升流器、标准互感器(以下简称标互)和校验设备(如图1所示),为了确保校验精度和足够的输出功率,作为标互的CT必须采用大截面铁芯,其结果是标互的体积和重量通常比产品互感器更大,不适合被悬挂到母线上使用,更为不便的是,一次导线必须从铁芯中穿过,与待测互感器及电源一起形成闭合回路,而在现场条件下,运行中的母线不可能被分断,因此也不可能实施穿心操作。要进行现场校验,必须有一种小型化、可自由开合的“钳形”结构标互。

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  电子式互感器的设计思路为标互小型化提供了借鉴,电子式互感器最重要的变化是摆脱了功率输出的负担,这为小型化设计提供可能性。

  2.3 安全保障

  在线校验,另一个重要议题是如何保障人员和设备的绝对安全,在充分利用电气设备安全规范的基础上,一种新型的遥控操作技术可为安全性要求提供保障。

  (1)绝缘规范。

  本次科研项目,针对带金属封装(外壳)、内含气/油绝缘结构的一类设备,在电站上,这类设备与电子式互感器进行了组合,应用非常普遍。图2列举了三种实例,它们的共同特点是:设备有完备的绝缘和接地装置;电子式互感器安装在进/出线套管根部,金属法兰以下的升高座上(图中箭头所指),金属法兰以下属于地电位,是安全操作区域[3]。以66kV罐式断路器为例,标准规定,工频耐压为160kV,而常态工作电压仅为38.1kV,留有4倍的裕度,外壳可靠接地,运行中,金属法兰以下是安全地电位,将实施的在线校验,钳形标互将被夹持在升高座部位,处于金属法兰以下,由一次设备本体保障了校验操作的绝缘安全性[4]。

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  (2)遥控操作。

  图3是诊断罐式断路器的在线校验现场布置图,待测互感器(3)装在升高座上。试验时,先将升降台小车(9)移到断路器附近,升到适当高度,由装在顶端的机械手(5)完成钳形标互(4)的夹持和试验完成后的回收操作,这些操作都是由地面操作台(8)上的操作手无线遥控(7)完成的,测量数据由无线方式传向地面操作台,整个实验过程中,人与一次设备彻底电气隔离,确保了人员的物理以及心里上的安全。

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  3 关键技术

  实现带电条件下的在线校验,技术难点可以归结为三方面,即:如何保证小型化钳形标互的测量精度,满足校验要求;如何进行标互在带电设备上的安全操作;如何实现动作遥控和测量数据无线传输。

  3.1 标互的测量精度

  标互是互感器误差校验的参考基准,要求其精度必须高于产品,传统标互通过增大铁芯截面的方法提高测量精度,而小型化的钳形标互,必须使铁芯面积大幅度减小,而且钳口会含有气隙,这会大幅度降低磁路的有效感应强度,势必会影响测量精度,我们从分析电磁式电流互感器综合误差传递公式分析入手,寻求可能的答案:

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  经过以上两种措施的改进,实际研制的钳形标互,测量精度测试结果(表2所列)达到了0.05级的精度要求,可满足了检测0.2级电流互感器的技术要求。

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  3.2 操作机械手

  由图2可见,高压电器设备进出线套管的升高座位置均在离地面3m~6m的高度,临近高压区,不适合人工作业,标互在升高座部位的夹持和拆卸,需要采用一种可遥控的机械装置来完成,图5是一种钳形标互配套的操作机构效果图,图中:由两个半圆环组成钳形电流标互,装在一个特制的机架上,由电动推杆完成升降、前后、左右、倾斜、张合口等各个方向上的动作,装在机架顶端的微型摄像头向地面实时传送钳形标互的移动图像,以便精确控制标互夹持在升高座上。整个装置的动作由地面操作台上用无线遥控指令完成,避免了高空近高区域的人工操作。

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  图6是完成标互定位和夹持后的效果,在实际操作时,夹持位置可选择双侧套管任一侧,以升降在地面上台方便靠近为佳。在升高时,必须特别注意:限定标互顶端的高度不超过断路器的金属法兰部位,确保试验设备处于大地电位区。

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  3.3 无线遥控及数据通信

  图7是实现动作遥控及测量数据无线传输的功能框图,通过2.4GHz的无线通信将相互电气隔离的测量端(机械手)与地面控制端(控制台)相互连接。通信内容包含三部分:

  (1)动作遥控。

  在控制台上通过键盘操作发出动作指令,测量端处理器接收并译码指令,驱动相应的推杆电机,执行台面升降;标互的前后、左右、侧斜移动以及钳口的开-合动作。每个运动方向装有限位开关,会自动限定移动范围。操作者根据摄像头传来的图像,确认标互的正确夹持和脱离。

  (2)视频观察。

  视频观察是为了配合遥控而装设的。升降台顶端装有WiFi摄像头,会向控制台实时传送动作图像,提醒操作者准确完成标互的定位。

  (3)数据采集。

  标互准确夹持定位以后,即可以开启校验试验,测量数据无线发送,控制台上的校验仪同时接收标互的无线数据和产品互感器通过光纤发来的测量数据,进行幅度和相位的比对计算,显示或打印输出误差校验结论。

  无线通信是由两个信道分别完成的,视频信号是实时连续的,占一个独立信道,动作控制和数据采集不是同时进行的,合用一个信道,分时进行。三种功能均实现了无线化连接,使一二次设备间彻底隔离,提高了试验操作的自动化程度,降低了劳动强度,确保了试验的安全性。

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  4 在线与离线校验差异性讨论。

  在线校验是建立在电子式互感器应用技术基础上的一种维、检新技术,最适合用于应急故障的诊断和修复,与实验室条件下的离线校验相比,虽有相似之处,但不能完全替代。两者之间的差异在于:

  (1)试验电流。

  实验室条件下,用升流器作为电流源,可按标准要求在额定量程的5%、20%、100%、120%(四个)点上检测互感器测量精度(以0.2级误差为例)。而在线试验的电流源只能是当前运行电流,一般会在20%~80%范围变化,所以这种检测结果不能完全代表所有测量范围,不能认定它是一个完整、全面的鉴定。但考虑到电子式互感器的传感技术和新的数字校验技术的改变,可以认为当前电流范围内,校验结论真实可信。电子式互感器采用了罗氏线圈(或磁光效应)电流传感器代替传统电磁式传感器,其最大的优势就是不存在小电流磁滞和大电流饱和效应,线性范围优于传统互感器,所以额定范围校验结果在一定程度上代表了大范围的性能;另一方面,交流电是在正、负峰值之间不断重复变化的,数字采样实际上采集了由小至大变化的所有点,校验算法实际上是对所有点(样本)进行了比对,所以在一定程度上等效于检测了由小到大全部量程范围,不一定需要将量程人为地分成四个孤立点来验证线性度。

  (2)综合检测。

  除了测量精度,互感器的性能还包括绝缘耐压和EMC的相关内容,在线校验虽然只谈到电流测量精度,但由于是在真实电压、带有电站背景干扰的条件下进行的试验,所以比实验室条件下进行的试验环境更为复杂[7-8],更能考察电子式互感器综合性能,由于这些现场环境在实验室内无法仿真,2009~2013年间曾经发生过多起电子式互感器通过了标准规定的型式试验,但却不能在现场实际运行的实例[9],这说明现场在线校验还具有无可替代的综合性和实用性。

  (3)现场校正。

  传统校验只能诊断是否存在误差,但不可能校正和修复[10],但电子式互感器可以做到对二次部分的校正和修复。电子式互感器的采集板卡在设计时考虑了“热插拔”功能,电路板、原件在检修、调试和拔插操作时,不会影响其他通道的正常工作,可以将在线校验与应急维修合并进行,真正达到了恢复电网正常连续运行的目的。

  5 结论

  本项目所研制的在线校验装置,在66kV罐式断路器上做了联调和试用(处于调试设备之目的,选择了正常线路),试验结果记录见表3,完成标互夹持后共进行了约35min的连续监测校验,其中运行电流在试验期间略有变化,校验设备即时记录了4个典型试验点的误差校验数据,从表上数据可见,被测互感器误差基本符合0.2级标准,判定为可继续运行。初步试验结果表明,在线校验的方法是切实可行的,通过进一步完善配套软件,研制更加简捷方便的试验操作装置,一定能够实现在线校验的目标。

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  电子互感器的在线校验是新开创的带电维检新领域,本文仅涉及金属封装高压电器组合电流互感器的校验,此法也可推广应用于与断路器串联的独立式电流互感器的在线校验,未来可扩展应用于电压互感器的在线校验,由于其在提高电网运行效率上有无可替代的作用,一定会有广阔的发展前景。

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  参考文献

  [1] 国家质量监督检验检疫总局,国家标准化管理委员会.电流互感器:GB1208-2006[S].北京,中国标准出版社,2006.

  [2] 国家质量监督检验检疫总局,国家标准化管理委员.会电子式电流互感器:GB/T20840.8-2006[S].北京:中国质检出版社,2007.

  [3] 张文生,刘跃年.GIS智能化及PASS技术[J].电力建设,2000,30(9):26-29.

  [4] 王明胜,臧英.一种新型的套管式电流互感器升高座结构[J].变压器,2011-5,P54-55.

  [5] 刘忠战,任稳柱,电子式互感器原理与应用[M],北京:中国电力出版社,2014:20-21.

  [6] 王蔷,李国定,龚克.电磁场理论基础[M].北京:清华大学出版社,2001:324.

  [7] 国家质量监督检验检疫总局.电磁兼容试验和测量技术:GB/T17626.X-1998[S].北京:中国质检出版社,1999.(130).

  [8] 施围,邱敏昌,张乔根.高电压工程基础[M],北京:机械工业出版社,2006:233-235.

  [9] 刘忠战,王晓波,贾宏,等.500kVGIS智能变电子式互感器的特殊电磁防护技术[J].智能电网,2014-2,P58-62.

  [10] 丁涛,何志强,杨乃贵.等.电子式互感器现场误差校验的应用研究[J].电测与仪表,2011-11,P29-32.

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